Аминокислоты, являясь мономерами белков, обладают ключевым стереохимическим свойством — наличием асимметрического атома углерода в α-положении. У большинства природных α-аминокислот α-углерод связан с четырьмя различными заместителями: аминогруппой, карбоксильной группой, атомом водорода и боковой цепью. Такое строение приводит к существованию двух энантиомерных форм, обозначаемых как L- и D-аминокислоты.
Основой биологической стереоспецифичности является почти абсолютное преобладание L-форм в составе белков. Это фундаментальное свойство закрепилось в процессе биологической эволюции и определяет однозначное пространственное строение биополимеров. Исключение составляет лишь редкое присутствие D-аминокислот в клеточных стенках бактерий и в некоторых пептидах, где они выполняют специфические защитные или сигнальные функции.
Энантиомеры аминокислот традиционно обозначаются по системе Фишера (L/D), восходящей к конфигурации глицеринового альдегида. Более универсальной и современной является система Cahn–Ingold–Prelog (R/S), основанная на приоритете заместителей у асимметрического центра. В большинстве случаев L-аминокислоты обладают конфигурацией S, за исключением L-цистеина, где сера в боковой цепи изменяет порядок приоритетов, и конфигурация становится R.
Хиральность определяет особенности взаимодействия аминокислот с биологическими системами. Ферменты и рецепторы, как правило, строго различают энантиомеры, поэтому только L-формы способны полноценно участвовать в метаболизме и построении белков. D-энантиомеры, если и встречаются, часто оказываются биологически неактивными или даже токсичными для живых организмов.
Физические свойства энантиомеров идентичны, за исключением способности вращать плоскость поляризованного света в противоположных направлениях. Однако в биологических системах различие проявляется не в оптической активности, а в молекулярном узнавания, которое строго стереоспецифично.
Формирование пептидной цепи сопровождается образованием плоской пептидной связи, обладающей частичным двойным характером за счёт делокализации электронной плотности. Плоскостность ограничивает свободу вращения, что накладывает строгие стереохимические ограничения на возможные конформации.
Аминокислотные остатки в пептидах могут образовывать два типа изомеров — цис и транс. В белках подавляющее большинство пептидных связей находится в транс-конфигурации, которая является энергетически более выгодной и минимизирует стерические столкновения. Исключением служат связи, образованные с пролином, для которого доля цис-формы заметно выше.
Стереохимия аминокислотных остатков задаёт основу для формирования вторичных структур белков. Ограничения вращения вокруг связей Cα–N (угол φ) и Cα–C’ (угол ψ) определяют допустимые значения торсионных углов. Карта Рамачандрана наглядно демонстрирует области энергетически разрешённых конформаций.
Благодаря этим ограничениям аминокислотные последовательности складываются в устойчивые регулярные структуры:
Комбинация вторичных структурных элементов приводит к образованию третичной структуры белка. Хиральность аминокислот определяет предпочтение правозакрученных форм. Так, α-спирали в природных белках почти исключительно правые, что непосредственно вытекает из L-конфигурации мономеров.
Формирование третичной структуры стабилизируется множеством факторов: гидрофобными взаимодействиями, водородными связями, дисульфидными мостиками, ионными взаимодействиями. Все эти элементы структурной организации строго зависят от пространственного расположения функциональных групп, которое в свою очередь предопределено стереохимией α-углерода.
В четвертичной структуре, где несколько полипептидных цепей объединяются в комплекс, хиральность также играет фундаментальную роль. Пространственное соответствие субъединиц требует чёткой комплементарности поверхностей, возможной лишь при сохранении правильной стереохимической организации.
Биологическая активность белков, таких как ферменты, антитела или транспортные белки, в значительной мере зависит от трёхмерного расположения активных центров. Стереохимия аминокислот обеспечивает уникальную форму этих центров, определяя специфичность к субстратам и высокую избирательность взаимодействий.
Хотя L-конфигурация является нормой, D-аминокислоты в редких случаях включаются в пептиды бактерий и некоторых животных. Их присутствие повышает устойчивость к протеолитическим ферментам, так как большинство протеаз строго специфичны к L-субстратам. Включение D-остатков используется в природе как защитный механизм и встречается в пептидных антибиотиках.
Стереохимическая однородность белков является одним из ключевых факторов существования биологической жизни. Односторонний выбор L-аминокислот в процессе эволюции обеспечил возможность упорядоченной сборки белков с повторяемыми и предсказуемыми структурами. Смешение энантиомеров привело бы к хаотичной укладке полипептидных цепей и невозможности возникновения сложных функциональных систем.